從航天器到遠(yuǎn)程氣象站，氫燃料電池為這些設(shè)施提供了極具吸引力的清潔可持續(xù)的能源供應(yīng)。但是用于分離燃料電池內(nèi)的陽(yáng)極和陰極的Nafion膜在與水相互作用時(shí)會(huì)發(fā)生體積膨脹的問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致燃料電池效率降低。

如今，來(lái)自俄羅斯和澳大利亞的合作已經(jīng)表明，這種Nafion分離膜正常狀態(tài)下只是部分地展開(kāi)了它的一些組成纖維，然而在水相中，材料的纖維會(huì)從表面突出到數(shù)百微米長(zhǎng)。

這項(xiàng)研究由澳大利亞國(guó)立大學(xué)的Barry Ninham教授領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)來(lái)自澳大利亞和俄羅斯的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)小組共同完成，Barry Ninham教授是膠體和界面科學(xué)知名專(zhuān)家。他們的研究結(jié)果于本周在AIP出版社的Journal of Chemical Physics上發(fā)表。

研究小組對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的研究來(lái)源于一個(gè)假設(shè)，該假設(shè)利用一種新的水狀態(tài)來(lái)解釋Nafion膜的膨脹現(xiàn)象。同樣的，他們是第一個(gè)描述聚合物纖維在與水相互作用時(shí)從膜表面延伸的生長(zhǎng)現(xiàn)象的研究小組。他們的研究證實(shí)纖維的數(shù)量隨著水中氘濃度的增加而增加。

“為了增加我們對(duì)這些膜的理解，我們需要描述氘化水與聚合物的分子水平間的相互作用，”Bunkin說(shuō)。 “現(xiàn)在我們已經(jīng)知道了這個(gè)研究'禁區(qū)'的結(jié)構(gòu)，我們可以通過(guò)研究離子特異性對(duì)其組織和功能的影響所引起的變化來(lái)定制Nafion分離膜的結(jié)構(gòu)及其電化學(xué)性質(zhì)。”

Nafion分離膜是迄今為止在燃料電池中使用的性能最高的市售氫氧化物質(zhì)子交換膜。其多孔性質(zhì)允許電解質(zhì)溶液進(jìn)行高純度濃縮，同時(shí)將陽(yáng)極與陰極分離，這將允許電子流動(dòng)在燃料電池中并產(chǎn)生能量。

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)解開(kāi)表面結(jié)構(gòu)，分離膜對(duì)環(huán)境水中的氘含量特別敏感。聚合物纖維從膜延伸到水中。這種效果在水中最明顯，氘含量在百萬(wàn)分之100到1,000之間。

在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種專(zhuān)門(mén)的激光儀器(光致發(fā)光紫外光譜儀)來(lái)表征沿膜 -水界面的聚合物纖維。雖然由于儀器的空間限制而沒(méi)有直接觀察到單根纖維，但該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠可靠地檢測(cè)到它們?cè)谙蛩猩L(zhǎng)。

“這項(xiàng)工作的重要性在于，它可能為生物學(xué)和能源生產(chǎn)的一些非常基本的領(lǐng)域提供了一個(gè)研究方向，目前我們對(duì)此沒(méi)有任何研究認(rèn)知，”Bunkin說(shuō)。